Az élőlények legkisebb, önálló működési egysége a sejt. A sejtek önálló anyagcserével és önálló szaporodási képességgel rendelkeznek. Környezetüktől történő elhatárolódásukat és a sejt belső környezetének állandóságát a sejtmembrán biztosítja, amely egy lipid (pontosabban foszfolipid) kettősrétegből épül fel. A sejtmembrán lipidjeinek karbonsav része poláris, hidrofób, azaz víztaszító tulajdonságú, ennek köszönhetően a víz számára átjárhatatlan.
A sejtmembrán felépítése
A piros színnel jelölt foszfolipidmolekulák két részből, egy foszforsavat tartalmazó feji (piros gömböcskék) és egy karbonsavat (2 lánc, gömböcskékből kiinduló két szál) tartalmazó farki részből állnak. A sárga színnel jelölt molekulák a membrán fehérjéi, amelyek a transzport folyamatokért is felelősek.
A sejt megfelelő működéséhez tápanyagokra és információkra van szüksége, amelyek ionok és kisebb molekulák formájában érkeznek. Jogosan merül fel a kérdés, hogyan képesek ezek az ionok és molekulák átjutni a lipid kettősrétegen? A sejtmembránban fehérjék figyelhetőek meg, amelyek egy része teljesen átéri a membránt, így képes a sejten kívüli térből anyagokat szállítani a sejt belsejébe, illetve ellenkezőleg. Ezeket a fehérjéket transzportfehérjéknek nevezzük. A transzportfehérjéknek több típusa ismeretes, közülük az utóbbi évek kutatásai alapján legismertebbé az ún. csatorna fehérjék váltak.
Ez év októberében a Nobel-díj Bizottság az idei kémiai Nobel-díjat annak a két kutatónak (Peter Agre és Roderick MacKinnon) ítélte, akik a legnagyobb felfedezést tették a csatorna fehérjék kutatása terén.
Peter Agre (balra) és Roderick MacKinnon (jobbra)
Előzmények
Már a XIX. században is biztosak voltak abban, hogy a sejtmembránon léteznek apró rések, amelyek bizonyos anyagok áramlását lehetővé teszik. Wilhelm Ostwald 1890-ben rájött, hogy a szövetek elektromos jeleit olyan ionok okozzák, amelyek ki-be áramlanak a sejt membránján (felfedezéséért 1909-ben kémiai Nobel-díjat kapott). Az 1950-es években megfigyelték, hogy a sejtmembránon több százmillió vízmolekula képes átáramlani másodpercenként.
Az 1963-as orvosi Nobel-díj díjazottai (Alan Hodgkin és Andrew Huxley) az idegsejtek elektromos ingerületének megfigyelésekor megállapították, hogy a sejtmembrán csatornái szelektívek, különböző mértékben engedik át a kálium-, illetve a nátriumionokat. A szelektivitásra sokáig nem volt magyarázat, hisz a káliumion nagyobb, mint a nátriumion, mégis könnyebben jut át a sejt határoló rendszerén.
P. Agre a 80-as évek közepén vörösvértestek membránfehérjéit tanulmányozta. Kísérletei során megfigyelte, hogy bizonyos membránfehérjék hiánya megakadályozza a víz sejtekbe jutását. Feltérképezte a fehérjék aminosav sorrendjét, majd az ezeknek megfelelő DNS-lánc nukleotid sorrendjét. R. MacKinnon 1998-ban tette közzé először az ionok áramlását biztosító ioncsatornák kémiai szerkezetét, természetesen ezeket is fehérjék alkotják. Kettőjük kutatási eredménye egy teljesen új kutatási területet hívott életre. Napjainkban már közel 100 csatorna fehérjét ismerünk, és a Nobel-díjjal kitüntetett kutatóknak köszönhetően ezek működésére is fény derült.
A víz sejtmembránon történő átjutása az aquaporin fehérjéknek köszönhető. Az említett fehérjéből az élőlényekben minimum 11 féle ismert, többek közt aquaporin fehérjék biztosítják a vese nefronjaiban a víz- és bizonyos ionok visszaszívását. Az aquaporin alkotta fehérjecsatorna belseje pozitív töltésű, amely az energetikailag fontos (pozitív töltésű) oxóniumion (H3O+) kijutását megakadályozza, viszont a semleges vízmolekulák sejtbe jutását biztosítja.
A vízcsatorna felépítése
A víz áramlásának animációja letölthető innen.
A kutatók az ioncsatornák szelektivitására is találtak magyarázatot. A nátrium- és káliumion az élőlényekben többnyire vízmolekulákkal veszi körül magát, ezt hidrátburoknak nevezzük. A hidrátburokban az említett ionok a víz oxigén molekulájával lépnek kölcsönhatásba. Az ioncsatornák szelektivitása szempontjából ez a nátriumion-oxigén, illetve káliumion-oxigén távolság a lényeges. Az ioncsatorna ionszűrőjében is vannak oxigén atomok.
A káliumion esetében a filter belsejében a káliumion és az oxigének között pontosan akkora távolság van, mint a hidrátburokkal körülvett káliumion esetében. Ennek, a káliumion-oxigén távolságnak köszönhetően a káliumion átjut a csatornán. A nátriumion kisebb mérete miatt viszont nem tud a szűrő oxigén atomjai közé illeszkedni, így a nátriumion nem jut át a szűrőn.
A felső két kép a kálium- és nátriumiont szemlélteti hidrátburokkal körülvéve. Az alsó két kép a membrán, ion filterében lévő oxigénatomok elhelyezkedését, illetve az ionok illeszkedését mutatja.
Az ioncsatorna képe letölthető innen.
A víz- és ioncsatornák működési mechanizmusának megismerése gyógyászati szempontból is jelentős, hisz számos betegség (szív, idegrendszeri, vese) ezen csatornák helytelen működésére vezethetők vissza.
